一种宽频带的微型近场磁场测试探头的制作方法

本发明涉及一种宽频带的微型近场磁场测试探头，属于电磁泄漏和电磁场近场测试技术领域。

背景技术：

随着电子设备的信息化程度不断提高，电子设备正朝着高度集成化、复杂化的方向高速发展，设备之间的电磁干扰问题已成为迫切需要解决的问题。将探头放置距离设备很近的位置，移动探头的位置定位干扰干扰源的测试，被称为近场扫描。电磁干扰的频谱很宽，目前市面上的近场扫描传感器无法完成宽频带的电磁干扰测试，使得对电磁干扰的宽频带测试成为了新的技术难题。为了满足电子行业的发展需求，针对近场扫描中的磁场检测，本发明研制了一种宽频带的微型近场磁场测试探头。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种宽频带的微型近场磁场测试探头，目的是有效地完成宽频带近场磁场测试，提高我国电子行业的发展。

为了完成上述目的，本发明的方案如下：

一种宽频带的微型近场磁场测试磁探头，它至少包括微型同轴连接器以及磁场探头本体；所述的微型同轴连接器为SMA接头，SMA接头型号为美国西南微波公司研制的超级SMA(Super SMA)连接器，具体型号为292-04A-6，所述的磁场探头本体的设计和制作是基于印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺的四层电路板；所述的磁场探头本体包括顶层屏蔽平面、底层屏蔽平面、中间1层平面、中间2层的带状线、信号过孔、短路过孔、信号过孔周围的同轴过孔阵列、金属背面支撑共面波导(Conductor-backed coplanar waveguide，简写CB-CPW)中心导体以及CB-CPW中心导体两侧的栅栏式过孔阵列；

所述的磁场探头本体，呈凸字型结构，突出的一端为顶端，另一端为底端；顶端主要用于磁场信号检测，底端主要用于手持和SMA接头的安装，凸字型结构可以在方便固定、安装SMA接头的前提下减小探头本体的尺寸；

所述的顶层屏蔽平面在顶端开“凸”字型的缝隙，底端开长方形缝隙；“凸”字型缝隙防止顶层屏蔽平面对磁场信号的屏蔽，长方形缝隙防止所述的CB-CPW中心导体在顶层布线时与顶层屏蔽平面连接；“凸”字型缝隙的大小决定了探头的灵敏度和空间分辨率；

所述的底层屏蔽平面顶端也开与所述顶层屏蔽平面相同尺寸的“凸”字型的缝隙，防止底层屏蔽平面对磁场信号的屏蔽，底层屏蔽平面的底端不作任何开缝；“凸”字缝隙的大小决定了探头的灵敏度和空间分辨率；

所述的中间2层的带状线呈“L”型，一端通过所述的短路过孔与顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面在“凸”字型缝隙处连接；所述的带状线与顶层“凸”字型缝隙和底层“凸”字型缝隙构成内部环，以接收外界的磁场信号；内部环被所述的顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面包裹，可以有效抑制电场信号的耦合，减少内部环接收的电场信号，提高探头对磁场信号的灵敏度；

所述的CB-CPW中心导体位于顶层屏蔽平面开底端的长方形缝隙内，所述的顶层屏蔽平面作为CB-CPW的地平面，所述的中间1层平面作为CB-CPW的金属背面；所述的CB-CPW中心导体作为馈电线，一端与SMA接头连接，另一端通过信号过孔与带状线的另一端连接；所述的CB-CPW中心导体两侧对称分布的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，构成栅栏式过孔阵列，抑制磁场探头的谐振；

所述的信号过孔周围的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，每一个接地过孔到信号过孔的距离相等为0.9～1.3mm，构成同轴过孔阵列，实现探头宽频带的阻抗匹配；

所述的CB-CPW中心导体的长度5～8mm；所述的信号过孔直径为0.2mm～0.3mm，到所述的磁场探头两侧边缘的水平距离相等。

所述的接地过孔直径为0.2mm～0.3mm；

所述的短路过孔直径为0.2mm～0.3mm；

所述的宽频带是300kHz～20GHz。

所述的微型是探头的尺寸为Ф50mm×10mm～Ф90mm×20mm。

本发明涉及的一种宽频带的微型近场磁场测试探头的有益效果是：

本发明所提供的一种宽频带的微型近场磁场测试探头与传统同轴线屏蔽式磁场探头相比，本发明所述的磁场探头的尺寸可以做到很小，S参数测试在300kHz～20GHz内平滑无谐振，同时所述的磁场本体设计与加工采用成熟的PCB加工工艺，降低了生产成本，所述磁场探头的结构简单，工程人员容易掌握所述磁场探头的加工，另一方面工程人员也可以根据实际工程需要，结合本法发明修改所述磁场探头的尺寸和相关参数获得不同分辨率和工作频带的磁场测试探头。

本发明优点及功效在于：探头本体采用PCB工艺完成了对所述磁场探头的设计加工，实现了磁场探头的微型化，减少了测试时探头本身对磁场的扰动，提高了测试精度，采用栅栏式过孔阵列抑制宽频带内磁场探头的谐振，采用同轴过孔阵列实现宽频带的阻抗匹配，解决了宽频带近场测试需要多个频段的探头配合使用才能完成测试的问题，提高了宽频近场测试工作的效率。

附图说明

图1为一种宽频带高的微型近场磁场测试探头的整体结构图。

图2为一种宽频带的微型近场磁场测试探头的三维展开结构。

图3(a)为一种宽频带的微型近场磁场测试探头顶层的俯视图。

图3(b)为一种宽频带的微型近场磁场测试探头中间1层的俯视图。

图3(c)为一种宽频带的微型近场磁场测试探头中间2层的俯视图。

图3(d)为一种宽频带的微型近场磁场测试探头底层的俯视图。

图4为一种宽频带的微型近场磁场测试探头与微带线组成的仿真系统。

图5为一种宽频带的微型近场磁场测试探头与微带线、适量网络分析构成的测试系统。

图6为一种宽频带的微型近场磁场测试探头的仿真和测试的S21曲线。

附图标号说明如下：

1-SMA接头，21-栅栏式过孔阵列，22-同轴过孔阵列，

23-短路过孔，31-顶层屏蔽平面，32-中间1层平面，

33-带状线，34-底层屏蔽平面，35-CB-CPW中心导体，

36-顶层长方形缝隙，41-顶层“凸”字型缝隙，42-底层“凸”字型缝隙，

5-信号过孔，6-微带线，7-50Ω匹配负载，8-矢量网络分析仪，9-同轴线。

具体实施方式

下下面结合附图对本发明进一步说明如下：

图1、图2、图3(a)-(d)清晰展示了本发明涉及的一种宽频带高分辨率的微型近场磁场测试探头本体的结构。图2从上至下依次为磁场探头本体的顶层、中间1层、中间2层、底层。图3(a)为磁场探头本体的顶层的俯视图；图3(b)为磁场探头本体的中间1层的俯视图；图3(c)为磁场探头本体的中间2层的俯视图；图3(d)为磁场探头本体的底层的俯视图。磁场探头包括SMA接头1和探头本体，探头本体加工制作采用PCB印刷电路板，该电路板是一个4层板结构，其可用工作频带为300kHz～20GHz，SMA接头1型号为美国西南微波生产的292-04A-6，其最高适用频率可达27GHz。顶层屏蔽平面31位于顶层，其厚度为1.5oz，底层屏蔽平面34位于底层，厚度为1.5oz，顶层屏蔽平面31与底层屏蔽平面34形成屏蔽腔，可以有效地抑制电场的耦合，提高磁场灵敏度。带状线33位于中间2层，厚度为0.5oz宽度为0.42mm，带状线33一端通过短路过孔23与顶层屏蔽平面31和底层屏蔽平面34在“凸”字型的缝隙处连接，构成内部屏蔽环来接收磁场信号。调节顶层“凸”字型缝隙41和底层“凸”字型缝隙42的尺寸，可以改变磁场测试探头的灵敏度和空间分辨率。“凸”字型缝隙越大，磁场探头灵敏度也高，空间分辨率越差，磁场探头的设计是空间灵敏度和空间分辨率的一个折中，在本实施例中“凸”字型缝隙的面积为0.38mm²。CB-CPW中心导体35位于顶层，其厚度为1.5oz，宽度为0.48mm，CB-CPW导中心导体35边缘到顶层长方形缝隙36边缘的水平距离为0.28mm，中间1层平面32作为CB-CPW的金属背面，顶层屏蔽平面31为其参考地平面。CB-CPW中心导体35作为所述磁场探头的馈电线，一端与SMA接头1连接，另一端通过信号过孔5与带状线33另一端连接。CB-CPW、带状线33与SMA接头1的特性阻抗均为50Ω，以减少三者连接时因足因阻抗不匹配造成的信号反射。CB-CPW中心导体35的两侧以0.52mm的间距均匀分布接地过孔，将CBCPW中心导体35围起来，这些接地过孔类似栅栏，形成栅栏式过孔阵列21以抑制探头在宽频带内的谐振。带状线33与CB-CPW中心导体35在信号过孔5的连接处，阻抗会发生突变，因此信号过孔5周围均匀等间距分布接地过孔构成同轴过孔阵列22以补偿阻抗突变，接地过孔的个数为6～8个(本发明中的一个实施例为6个)，每个接地过孔到信号过孔5的间距相等，为0.9～1.3mm(本发明中的一个实施例为1.3mm)。短路过孔、信号过孔、所有接地过孔的尺寸尽可能选择PCB加工工艺所能承受的最小尺寸，在本发明中三者的半径均为0.125mm。

如图4所示，将设计的磁场测试探头与微带线6(微带线基板的尺寸为80mm×50mm×1.6mm，基板材料为Rogers4350B)构成仿真系统，磁场测试探头顶端距离微带线6中心为1mm；微带线6一端定义为端口1，另一端接50Ω负载，SMA接头1定义为端口2。所设计的探头宽频带具有特点，频域仿真算法会耗时耗力，为了提高仿真效率和仿真结果的正确性，仿真采用软件“计算机仿真技术”(Computer Simulation Technology，CST)的微波工作室，仿真算法采用时域算法。

如图5所示，将研制的磁场测试探头、微带线6(微带线基板的尺寸为80mm×50mm×1.6mm，基板材料为Rogers4350B)与矢量网络分析仪8(型号为Agilent E5071C 300kHz～20GHz)构成测试系统，微带线6一端端接50Ω匹配负载7，另一端通过同轴线9与矢量网络分析仪8端口81相接，SMA接头1经过同轴线9与矢量网络分析仪8端口82相接(矢量网络分析仪Agilent E5071C 300kHz～20GHz一共有4个端口，任意选择其中两个，本实发明中选择了端口1和端口2)。磁场测试探头顶端距离微带线6中心为1mm。设置矢量网络分析仪8的平均功率为5mW。测试S21曲线。如图6所示，仿真的S21曲线与测试的S21曲线吻合得很好，在300kHz～20GHz频带内，S21曲线平稳、平滑，可以证明所研制的探头能在这个频带内较为准确的测试。

需要指出的是，本发明公开的技术手段、设计方法不仅限于本发明，同时也适用于结合本发明设计思想、方法、技术手段以及本发明所述的技术特征所衍生出的其他方案，因此这些所衍生出的其他方案都应视为本发明的保护范围。